CN102496497A - 一种旋转型部分柔顺多稳态机构 - Google Patents
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Abstract
本发明属于机械多稳态机构领域，特别是一种旋转型部分柔顺多稳态机构，其特征是：至少包括框架、在框架上连接有曲柄滑块机构和柔顺双稳态机构，柔顺双稳态机构的两端固结在框架上，以柔顺双稳态机构的梭为滑块的曲柄滑块机构通过曲柄轴和活动铰链将框架与柔顺双稳态机构连接成为整个旋转型多稳态机构；当曲柄绕曲柄轴旋转时，改变曲柄滑块机构中曲柄与连杆的有效长度，便可得到旋转型曲柄双稳态、旋转型曲柄三稳态、旋转型曲柄四稳态机构，各稳定位置在以曲柄轴为中心的圆周上且旋转方向无限制。该旋转型柔顺多稳态机构摩擦力小、稳定性好、零件数目少、结构简单、装配容易。
Description
技术领域
本发明属于柔顺机构领域，涉及一种旋转型部分柔顺多稳态机构，可用于开关、阀门、继电器、定位装置等领域。
背景技术
在开关、阀门、继电器、定位装置等领域，自适应系统及其领域常需要实现多个稳定位置。现有的很多自适应系统都是靠施加外作用力或摩擦来实现稳定位置，导致系统需要更复杂的机构且能耗增加。所以需要用其他不需要外力或摩擦力来实现稳定位置的机构来提供自适应系统所需求的稳定位置。
而在自适应系统中，旋转型多稳态机构比直线型多稳态机构具有更广泛的用途。现有的多稳态机构多为直线型，如中国专利公开的CN201010172017.7、CN201010146584.5等都是直线型，而在很多的多稳态应用场合，比如旋转型多路开关中，需要的是旋转型多稳态机构。
发明内容
本发明的目的是提供一种耗能小、摩擦力小、造价低、稳定性好、装配简单的旋转型部分柔顺多稳态机构。
本发明所采用的技术方案是：一种旋转型部分柔顺多稳态机构，其特征是：至少包括框架、框架内的柔顺双稳态机构和曲柄滑块机构；所述的柔顺双稳态机构左右两端与框架固连，柔顺双稳态机构结构左右对称，其梭有两个稳定位置；所述的曲柄滑块机构：其曲柄轴在柔顺双稳态机构的对称轴线上，曲柄滑块机构的连杆一端与曲柄铰接，连杆的另一端与柔顺双稳态机构的梭铰接，柔顺双稳态机构的梭用作曲柄滑块机构的滑块；当曲柄绕曲柄轴顺时针或逆时针旋转时，柔顺双稳态机构的梭在两个稳定位置之间跳转，致使曲柄滑块机构的曲柄可在不同稳定位置停留，通过改变所述的曲柄滑块机构的曲柄和连杆的长度，曲柄在不同位置达到稳定平衡。
所述的曲柄的长度r是柔顺双稳态机构的行程d的一半，曲柄的长度r与连杆的长度l之和等于柔顺双稳态机构的梭的初始加工位置到曲柄轴的距离D 1，即r = d / 2; l + r = D 1，曲柄有两个稳定的平衡位置。
所述的曲柄的长度r大于柔顺双稳态机构的行程d的一半，曲柄的长度r与连杆的长度l之和大于柔顺双稳态机构的梭的初始位置到曲柄轴的距离D 1，曲柄的长度r与连杆的长度l之差等于柔顺双稳态机构的梭的初始位置到曲柄轴的距离D 1与柔顺双稳态机构行程d的差值，即r > d / 2; l + r > D 1; l - r = D 1 - d，曲柄有三个稳定平衡位置。
所述的曲柄的长度r大于柔顺双稳态机构的行程d的一半，曲柄的长度r与连杆的长度l之和大于柔顺双稳态机构的梭的初始位置到曲柄轴的距离D 1，曲柄的长度r与连杆的长度l之差小于柔顺双稳态机构的梭的初始位置到曲柄轴的距离D 1与柔顺双稳态机构行程d的差值，即r > d / 2; l + r > D 1; l - r < D 1 - d，曲柄有四个稳定平衡位置。
所述的旋转型曲柄双稳态、旋转型曲柄三稳态、旋转型曲柄四稳态机构的曲柄稳定位置可以通过改变曲柄及连杆的有效长度改变。
所述的曲柄可以铰接在框架上，也可以铰接在其他固定部件上。
所述的柔顺双稳态机构是直线型双稳态柔顺机构且两端固结在框架上。
所述的曲柄及连杆均为刚性杆，所述的连接均为转动副。
所述的曲柄及连杆的有效长度等于相互连接的铰接点的距离。
本发明的有益效果是：成功地实现了一种旋转型部分柔顺多稳态机构。其特征是：柔顺双稳态机构和曲柄滑块机构（柔顺双稳态机构的梭兼作滑块）装配于框架上，曲柄绕曲柄轴顺时针或逆时针旋转时，柔顺双稳态机构的直线型稳定平衡位置将通过与之连接的曲柄滑块机构转化为圆弧型稳定平衡位置，并增加了稳定位置数目；并且当改变曲柄和连杆的有效长度时，可得到旋转型曲柄双稳态、旋转型曲柄三稳态和旋转型曲柄四稳态机构。
由于这种旋转型的多稳态（二、三或四稳态）机构的稳定位置在一个圆周上，而且曲柄的旋转方向没有限制，即在任何一个稳定位置处既可以顺时针又逆时针连续旋转，所以可以应用于旋转型的开关，比如风扇、电暖气、冰箱等的开关；也可以用在其他调节被控制量大小、方向的场合，比如空调吹风及风门的方向及大小的调节、喷水器喷水方向与速度的调节等，其他的应用有多路开关、多路阀门以及多向加速度传感器、继电器等产品，具有零件数目少、结构简单、装配简易、造价低廉、摩擦力小、耗能少等特点。
附图说明
下面结合实施例附图对本发明做进一步说明：
图1是旋转型柔顺双稳态机构第一稳定位置的示意图；
图2是图1所示的旋转型柔顺双稳态机构第二稳定位置的示意图；
图3是旋转型多稳态机构各尺寸的示意图；
图4是旋转型三稳态机构第一稳定位置的示意图；
图5是图4所示的旋转型三稳态机构第二稳定位置的示意图；
图6 是图4所示的旋转型三稳态机构第三稳定位置的示意图；
图7是旋转型四稳态机构第一稳定位置的示意图；
图8是图7所示的旋转型四稳态机构第二稳定位置的示意图；
图9是图7所示的旋转型四稳态机构第三稳定位置的示意图；
图10是图7所示的旋转型四稳态机构第四稳定位置的示意图；
图中：1、框架；2、曲柄滑块机构；3、柔顺双稳态机构；21、曲柄轴；22、曲柄；23、活动铰链；24、连杆；31、梭。
具体实施方式
一种旋转型部分柔顺多稳态机构，其特征是：至少包括框架1、框架1内的柔顺双稳态机构3和曲柄滑块机构2；所述的柔顺双稳态机构3：左右两端与框架固连，结构左右对称，其梭31有两个稳定位置；所述的曲柄滑块机构2：其曲柄轴21在柔顺双稳态机构3的对称轴线上，连杆24的一端与曲柄22铰接，连杆24的另一端与柔顺双稳态机构3的梭31铰接，柔顺双稳态机构3的梭31用作曲柄滑块机构2的滑块；当曲柄22绕曲柄轴21顺时针或逆时针旋转时，柔顺双稳态机构3的梭31在两个稳定位置之间跳转，致使曲柄滑块机构2的曲柄22可在多个稳定位置停留，通过改变所述的曲柄滑块机构2的曲柄22和连杆24的长度，曲柄22在多个位置达到稳定平衡。例如，获得曲柄22的两个、三个和四个稳定状态。框架起固定支撑作用。
实施例1
实施例1的工作状态可结合图1、图2一起说明。
在实施例1中，曲柄22的长度r是柔顺双稳态机构3的行程d的一半，曲柄22的长度r与连杆24的长度l之和等于柔顺双稳态机构3的梭31的初始加工位置到曲柄轴21的距离D 1，即r = d / 2; l + r = D 1，曲柄22有两个稳定的平衡位置。图1中的柔顺双稳态机构3在第一个稳定平衡位置（初始加工位置），曲柄22在初始装配位置且与连杆24共线，机构稳定平衡且未存储弹性变形能，此为旋转型曲柄柔顺双稳态机构的第一个稳定平衡位置；当图1中的曲柄22顺时针或逆时针转动时，连杆24拉动柔顺双稳态机构3的梭31向上运动，柔顺双稳态机构3的柔顺梁发生弯曲变形并存储弹性变形能，梭31从第一个稳定平衡位置经过一个弹性变形能最大的非稳定平衡位置后，释放弹性变形能并跳到第二个稳定平衡位置，如图2所示，此时机构中存储的弹性变形能是一个局部极小值，机构可以稳定平衡，曲柄22的位置竖直向上并与连杆24共线，此为旋转型曲柄柔顺双稳态机构的第二个稳定平衡位置；当图2中的曲柄22沿原方向继续转动时，连杆24推动柔顺双稳态机构3的梭31向下运动，使梭31从第二个稳定平衡位置经过一个非稳定平衡位置后跳回第一稳定平衡位置，曲柄22回到其第一个稳定平衡位置，整个机构回到图1所示的初始位置。
实施例2
实施例2的实施方式可结合图4、图5、图6一起说明。
在实施例2中，曲柄22的长度r大于柔顺双稳态机构3的行程d的一半，曲柄22的长度r与连杆24的长度l之和大于柔顺双稳态机构3的梭31的初始位置到曲柄轴21的距离D 1，曲柄22的长度r与连杆24的长度l之差等于柔顺双稳态机构3的梭31的初始位置到曲柄轴21的距离D 1与柔顺双稳态机构行程d的差值，即r > d / 2; l + r > D 1; l - r = D 1 - d，曲柄22有三个稳定平衡位置。图4中，柔顺双稳态机构3在第一个稳定平衡位置，曲柄22在初始装配位置，机构中无弹性变形能，此为旋转型曲柄三稳态机构的第一个稳定平衡位置；当图4中的曲柄22顺时针转动时（同样可以逆时针转动，为了方便选用顺时针转动进行说明），连杆24推动柔顺双稳态3的梭31向下运动，柔顺双稳态机构3的柔顺梁发生弯曲变形并存储弹性变形能，梭31从第一个稳定平衡位置经过一个弹性变形能最大的非稳定平衡位置（如图5虚线所示，此时曲柄22和连杆24共线）后，释放弹性变形能并回弹到第一个稳定平衡位置（称其为反外特性），如图5实线所示，机构中存储的弹性变形能为零，机构可以稳定平衡，曲柄22的位置与其第一稳定位置关于柔顺双稳态机构的竖直中心线对称，此为旋转型曲柄三稳态机构的第二个稳定平衡位置；当图5中的曲柄22继续顺时针转动时，连杆24拉动柔顺双稳态机构3的梭31向上运动，柔顺双稳态机构3的柔顺梁发生弯曲变形并存储弹性变形能，梭31从第一个稳定平衡位置经过一个弹性变形能最大的非稳定平衡位置后，释放弹性变形能并跳到第二个稳定平衡位置，如图6所示，此时机构中存储的弹性变形能是一个局部极小值，且机构可以稳定平衡，曲柄22的位置竖直向上并与连杆24共线，此为旋转型曲柄三稳态机构的第三个稳定平衡位置；当图6中的曲柄22继续顺时针转动时，连杆24推动柔顺双稳态机构3的梭31向下运动，使其从第二个稳定平衡位置经过一个非稳定平衡位置后跳到第一个稳定平衡位置，曲柄22回到第一个稳定平衡位置，整个机构回到图4所示的初始位置。
实施例3
实施例3的实施方式可结合图7、图8、图9、图10一起说明。
在实施例3中，曲柄22的长度r大于柔顺双稳态机构3的行程d的一半，曲柄22的长度r与连杆24的长度l之和大于柔顺双稳态机构3的梭31的初始位置到曲柄轴21的距离D 1，曲柄22的长度r与连杆24的长度l之差小于柔顺双稳态机构的梭31的初始位置到曲柄轴21的距离D 1与柔顺双稳态机构行程d的差值，即r > d / 2; l + r > D 1; l - r < D 1 - d，曲柄22有四个稳定平衡位置。图7中，柔顺双稳态机构3在第一个稳定平衡位置，曲柄22在初始装配位置，机构中无弹性变形能，此为旋转型曲柄四稳态机构的第一个稳定平衡位置；当图7中的曲柄22顺时针转动时（同样也可以逆时针转动，为了方便选用顺时针转动进行说明），连杆24推动柔顺双稳态机构3的梭31向下运动，柔顺双稳态机构3的柔顺梁发生弯曲变形并存储弹性变形能，梭31从第一个稳定平衡位置经过一个弹性变形能最大的非稳定平衡位置（如图8虚线所示，此时曲柄22和连杆24共线）后，释放弹性变形能并回弹到第一个稳定平衡位置，如图8实线所示，此时机构中无弹性变形即无弹性变形能存储，机构稳定平衡，曲柄22的位置与其第一稳定平衡位置关于柔顺双稳态机构的竖直中心线对称，此为旋转型曲柄四稳态机构的第二个稳定平衡位置；当图8中的曲柄22继续顺时针转动时，连杆24拉动柔顺双稳态机构3的梭31向上运动，柔顺双稳态机构3的柔顺梁发生弯曲变形并存储弹性变形能，梭31从第一个稳定平衡位置经过一个弹性变形能最大的非稳定平衡位置后，释放弹性变形能并跳到第二个稳定平衡位置，如图9所示，此时机构中存储的弹性变形能是一个局部极小值，则机构可以稳定平衡，此为旋转型曲柄四稳态机构的第三个稳定平衡位置；当图9中的曲柄22继续顺时针转动时，连杆24拉动柔顺双稳态机构3的梭31向上运动，柔顺双稳态机构3的柔顺梁发生更大的弯曲变形并存储弹性变形能，梭31从第二个稳定平衡位置经过一个弹性变形能最大的非稳定平衡位置（如图10虚线所示，此时曲柄22与连杆24共线）后，释放弹性变形能并回弹到第二个稳定平衡位置（称其为外特性），如图10实线所示，此时机构中存储的弹性变形能是一个局部极小值，机构可以稳定平衡，曲柄22的位置与其第三个稳定平衡位置关于柔顺双稳态机构的竖直中心线对称，此为旋转型曲柄四稳态机构的第四个稳定平衡位置；当图10中的曲柄22继续顺时针转动时，连杆24推动柔顺双稳态机构3的梭31向下运动，使梭31从第二个稳定平衡位置经过一个非稳定平衡位置后跳到第一个稳定平衡位置，曲柄22回到第一个稳定平衡位置，整个机构回到图7所示的初始位置。
本发明中，只有图1中给出了标号，其他图虽未给出标号，但是可以对照图1清楚说明其他图所表达的意思。
本发明中柔顺双稳态机构3由于已在美国专利中公开（美国专利7075209B2）,因此本发明对此不做过多描述。
Claims (9)
1.一种旋转型部分柔顺多稳态机构，其特征是：至少包括框架、框架内的柔顺双稳态机构和曲柄滑块机构；所述的柔顺双稳态机构左右两端与框架固连，柔顺双稳态机构结构左右对称，其梭有两个稳定位置；所述的曲柄滑块机构：其曲柄轴在柔顺双稳态机构的对称轴线上，曲柄滑块机构的连杆一端与曲柄铰接，连杆的另一端与柔顺双稳态机构的梭铰接，柔顺双稳态机构的梭用作曲柄滑块机构的滑块；当曲柄绕曲柄轴顺时针或逆时针旋转时，柔顺双稳态机构的梭在两个稳定位置之间跳转，致使曲柄滑块机构的曲柄可在不同稳定位置停留，通过改变所述的曲柄滑块机构的曲柄和连杆的长度，曲柄在不同位置达到稳定平衡。
2.根据权利要求1所述的一种旋转型部分柔顺多稳态机构，其特征是：所述的曲柄的长度r是柔顺双稳态机构的行程d的一半，曲柄的长度r与连杆的长度l之和等于柔顺双稳态机构的梭的初始加工位置到曲柄轴的距离D 1，即r = d / 2; l + r = D 1，曲柄有两个稳定的平衡位置。
3.根据权利要求1所述的一种旋转型部分柔顺多稳态机构，其特征是：所述的曲柄的长度r大于柔顺双稳态机构的行程d的一半，曲柄的长度r与连杆4的长度l之和大于柔顺双稳态机构的梭的初始位置到曲柄轴的距离D 1，曲柄的长度r与连杆的长度l之差等于柔顺双稳态机构的梭的初始位置到曲柄轴的距离D 1与柔顺双稳态机构行程d的差值，即r > d / 2; l + r > D 1; l - r = D 1 - d，曲柄有三个稳定平衡位置。
4.根据权利要求1所述的一种旋转型部分柔顺多稳态机构，其特征是：所述的曲柄的长度r大于柔顺双稳态机构的行程d的一半，曲柄的长度r与连杆的长度l之和大于柔顺双稳态机构的梭的初始位置到曲柄轴的距离D 1，曲柄的长度r与连杆的长度l之差小于柔顺双稳态机构的梭的初始位置到曲柄轴的距离D 1与柔顺双稳态机构行程d的差值，即r > d / 2; l + r > D 1; l - r < D 1 - d，曲柄有四个稳定平衡位置。
5.根据权利要求1所述的一种旋转型部分柔顺多稳态机构，其特征是：所述的旋转型曲柄双稳态、旋转型曲柄三稳态、旋转型曲柄四稳态机构的曲柄稳定位置可以通过改变曲柄及连杆的有效长度改变。
6.根据权利要求1所述的一种旋转型部分柔顺多稳态机构，其特征是：所述的曲柄可以铰接在框架上，也可以铰接在其他固定部件上。
7.根据权利要求1所述的一种旋转型部分柔顺多稳态机构，其特征是：所述的柔顺双稳态机构是直线型双稳态柔顺机构且两端固结在框架上。
8.根据权利要求1所述的一种旋转型部分柔顺多稳态机构，其特征是：所述的曲柄及连杆均为刚性杆，所述的连接均为转动副。
9.根据权利要求1所述的一种旋转型部分柔顺多稳态机构，其特征是：所述的曲柄及连杆的有效长度等于相互连接的铰接点间的距离。
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